CC BY
151
Науки о Земле Сейсмика, вулканология
Вестник ДВО РАН. 2011. № 3
УДК 550.31
А.Н.ДИДЕНКО, В.Г.БЫКОВ, Н.В.ШЕСТАКОВ, В.А.БОРМОТОВ, М.Д.ГЕРАСИМЕНКО, А.Г.КОЛОМИЕЦ, Н.Ф.ВАСИЛЕНКО, А.С.ПРЫТКОВ, А.А.СОРОКИН
Землетрясение Тохоку 11 марта 2011 г. Данные сети деформационных и сейсмологических наблюдений ДВО РАН
Представлены данные о тектонической обстановке, механизме очага, параметрах сильнейшего землетрясения Тохоку, происшедшего 11 марта 2011 г. у восточного побережья о-ва Хонсю (Япония). Приведены волновые формы землетрясения Тохоку и графики среднесуточных вариаций координат GPS-станций по данным отдельных пунктов сети деформационных и сейсмологических наблюдений ДВО РАН. По результатам измерений рассчитаны косейсмические смещения GPS-пунктов на территории Приамурья, Приморья и о-ва Сахалин. Показано, что землетрясение Тохоку явилось причиной значительных деформаций земной коры на обширной территории, включая северо-восточные районы Китая, юг Приамурья и Приморье. Величины косейсмических смещений в континентальной части Дальнего Востока России достигают максимальных значений (около 4 см) на юге Приморья и уменьшаются к северу от него.
Ключевые слова: землетрясение Тохоку 2011 г., деформация земной коры, косейсмические смещения, тектоника плит, космическая геодезия.
March 11, 2011 Tohoku, Japan Earthquake recorded by FEB RAS network of deformation and seismological observations. A.N.DIDENKO, V.G.BYKOV (Yu.A.Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk), N.V.SHESTAKOV (Institute of Applied Mathematics, FEB RAS, Vladivostok), V.A.BORMOTOV (Yu.A.Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk), M.D.GERASIMENKO, A.G.KOLOMIETS (Institute of Applied Mathematics, FEB RAS, Vladivostok), N.F.VASILENKO, A.S.PRYTKOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk), A.A.SOROKIN (Computer Centre, FEB RAS, Khabarovsk).
The paper presents the data on tectonic setting, earthquake focal mechanism and parameters of the Great Tohoku Earthquake (northeast Honshu, Japan) of March 11, 2011. The waveforms of the Tohoku Earthquake and plots of average daily variations of GPS site coordinates recorded at separate sites of the FEB RAS network of deformation and seismological observations are represented. The coseismic displacements of GPS sites deployed in Priamurye, Primorye and Sakhalin areas have been calculated from the results of measurements. It has been shown that the Tohoku Earthquake appeared to be the cause of significant deformations of the crust in a huge area including regions of NorthEast China, Southern Priamurye and Primorye. In the continental part of the Far East, the maximum values of coseismic displacements (of about 4 cm) have been obtained for Southern Primorye decreasing northward of it.
Key words: 2011 Tohoku Earthquake, crustal deformation, coseismic displacements, plate tectonics, satellite geodesy.
ДИДЕНКО Алексей Николаевич - доктор геолого-минералогических наук, директор, *БЫКОВ Виктор Геннадьевич - доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе, БОРМОТОВ Владимир Александрович - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией (Институт тектоники и геофизики им. Ю.А.Косыгина ДВО РАН, Хабаровск), ШЕСТАКОВ Николай Владимирович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ГЕРАСИМЕНКО Михаил Данилович - доктор технических наук, заведующий сектором, КОЛОМИЕЦ Андрей Геннадьевич - кандидат технических наук, научный сотрудник (Институт прикладной математики ДВО РАН, Владивосток), ВАСИЛЕНКО Николай Федорович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, ПРЫТКОВ Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск), СОРОКИН Алексей Анатольевич - кандидат технических наук, заведующий лабораторией (Вычислительный центр ДВО РАН, Хабаровск). *Е-mail: bykov@itig.as.khb.ru
Работа выполнена в рамках целевой комплексной программы научных исследований ДВО РАН «Современная геодинамика, активные геоструктуры и природные опасности Дальнего Востока России» (2009-2013 гг.) при поддержке грантов ДВО РАН 09-I-n16-10, 09-Ш-А-08-441 и 10-Ш-В-08-226, а также при поддержке Kwangwoon University, Сеул (Республика Корея).
11 марта 2011 г. в 05 ч 46 мин 23 с (ЦТС) У восточного побережья о-ва Хонсю (Япония) на стыке Северо-Американской и Тихоокеанской литосферных плит произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой М = 9,0, координатами эпицентра 38,322° с.ш. и 142,369° в.д., вызвавшее катастрофическое цунами с высотой волн свыше 10 м1. По данным Геологической службы США (USGS), это сейсмическое событие делит 4-5-е места с Южно-Камчатским (1952 г.) в ряду сильнейших землетрясений, имевших место с 1900 по 2011 г.; магнитуда только трех из них была выше - Чилийского 1960 г. (М = 9,5), Аляскинского 1964 г. (М = 9,2) и Северно-Суматранского 2004 г. (М = 9,1)2. Всего же за указанный период зарегистрировано 21 землетрясение с магнитудой 8,5 и выше (рис. 1) и 128 -с магнитудой 8,0 и выше3.
А*
Рис. 1. Землетрясения с М > 8,5, произошедшие в 1900-2011 гг. Залитая звездочка - землетрясение с последующим зарегистрированным цунами. Цифра при звездочке - год землетрясения, в скобках - его магнитуда. Указаны города с населением более 8,5 млн чел. Рисунок построен с помощью программы AгcGIS 9.3. Использована база данных по сильным землетрясениям Национального геофизического центра США (http://www.ngdc.noaa. gov/nndc/)
Тектонические предпосылки и механизм землетрясения
Япония часто подвергается сильным землетрясениям и цунами. Высокая сейсмическая активность ее территории обусловлена погружением Тихоокеанской литосфер-ной плиты под Японские острова и окраину Евразийского континента, включающую Приморье, Приамурье, о-в Сахалин и Охотоморский регион. Подвижки этой плиты и служат основной причиной сильных землетрясений (рис. 2).
Землетрясение 11 марта 2011 г. (далее - землетрясение Тохоку (ТЛоки)) произошло в зоне конвергентной границы между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами. В районе землетрясения Тихоокеанская плита перемещается на запад со скоростью 80-85 мм/год относительно Северо-Американской и начинает погружаться под о-в Хонсю в Японском желобе.
1 Сайт Метеорологического агентства Японии (http://www.jma.go.jp/jma/index.html).
2 Сайт Геологической службы США (http://earthquake.usgs.gov/).
3 Сайты Национального геофизического центра США (http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/, http://www.ngdc.noaa.gov/
Местоположение, глубина и фокальный механизм землетрясения Тохоку соответствуют процессам, проходящим на границе плит в зоне субдукции. Механизм землетрясения - надвиг (со стороны Тохоку)4. Из решений механизма очага, рассчитанных по моменту центроида в Информационно-обрабатывающем центре Геофизической службы (ИОЦ ГС) РАН [2] по знакам первых вступлений продольных волн на 97 станциях, следует, что землетрясение возникло под действием как растягивающих, так и сжимающих напряжений, ориентированных в направлении северо-запад-юго-восток. Нодаль-ная плоскость северо-восточного простирания имеет крутое залега-
Рис. 2. Очаговые области сильных землетрясений (М > 7,7) с _ о/ю\
неглубокими очагами, происшедших начиная с 1920 г. в окрест- ние (БР = 78-84 ), тип движения ности Японских островов (по данным [3], с дополнениями). по ней — взброс с компонентой Цифры — год землетрясения. 1 — очаговые области; 2 — конвер- правостороннего сдвига. Вторая гентные границы землетрясений нодальная плоскость, залегающая
полого, простирается с северо-запада на юго-восток, тип движения — надвиг с компонентами левостороннего сдвига (БР = 17—19°).
Моделирование зоны разрыва этого землетрясения позволяет оценить амплитуду взброса до 30 м 5. Зона разрыва находится в эпицентре землетрясения вдоль разлома се-веро-северо-восточного простирания. Начиная с 9 марта 2011 г. событию предшествовала серия сильных форшоковых сейсмических толчков с М = 7,2 приблизительно в 40 км от эпицентра.
Землетрясение Тохоку вызвало значительные смещения и деформации земной коры. По данным японской национальной GPS-сети GEONET, ближайшие к эпицентру районы Японии испытали косейсмические смещения к востоку и юго-востоку, а также опускание. Максимальная величина горизонтальной и вертикальной подвижек составила 4,4 м и —0,75 м, соответственно. В последующие после землетрясения дни наблюдались значительные постсейсмические смещения, к 18 марта составившие 23 см6. Землетрясение сопровождалось многочисленными афтершоками с магнитудами М > 6,0.
Единая сеть деформационных и сейсмологических наблюдений ДВО РАН
В рамках целевой комплексной программы научных исследований ДВО РАН «Современная геодинамика, активные геоструктуры и природные опасности Дальнего Востока России (2009—2013 гг.)» в 2009—2010 гг. сформирована сеть наблюдений ДВО РАН для изучения крупномасштабных деформаций и сейсмичности на территории
4 Сайт Института исследования землетрясений Токийского университета (http://outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/ eqvolc/201103_tohoku/eng).
5 Сайт Геологической службы США (http://earthquake.usgs.gov/).
6 Сайт Управления геопространственной информации Японии (http://www.gsi.go.jp/ENGLISH/).
Дальнего Востока - области сочленения Северо-Американской, Тихоокеанской и Амурской литосферных плит.
Одна из основных задач этой программы - получение новых количественных оценок скоростей смещения земной поверхности и сейсмической активности Дальнего Востока для исследования современной геодинамики этого региона и построения моделей взаимодействия литосферных плит.
Единая сеть сейсмологических и деформационных наблюдений (ЕССДН) ДВО РАН [1] включает постоянные комплексные пункты (рис. 3), оснащенные современной измерительной аппаратурой: цифровыми широкополосными сейсмическими станциями REF TEK SENS-BBS-120 и двухчастотными геодезическими GPS/ГЛОНАСС (GNSS)-прием-никами (система Trimble NetR5).
Рис. 3. Карта размещения GPS и сейсмических станций. 1 - GPS/ГЛОНАСС; 2 - сейсмостанции, установленные в 2009-2010 гг.; 3 - установленные в 2006-2009 гг. при реализации российско-японского проекта «Исследование сейсмотектоники Охотоморской плиты» (DATAMARK LS7000XT, STS-2 и L-4C-3D)
Установка в стационарных пунктах наблюдения широкополосных сейсмостанций и GNSS-станций проведена с целью исследования колебаний и движений земной коры в широком частотном диапазоне - от высокочастотных колебаний, возбуждаемых процессами трещинообразования, до вековых движений. Колебания, сопровождающие современные геодинамические процессы, охватывают периоды от сотой доли секунды до 100 лет. Периоды колебаний сейсмических волн от сильных землетрясений превышают 100 с, и даже на больших удалениях от очага их амплитуды достигают нескольких дециметров и более. Используемые сейсмометры (REFTEK 151-120) не предназначены для регистрации периодов колебаний более 120 с. Благодаря тому что на GPS-приемниках используется частота измерений 1 Гц, можно в интервале периодов 10-100 с измерять
высокоамплитудные колебания двумя методами: сейсмическим и геодезическим; GNSS-приемники не имеют ограничений в области измерений более низких частот. С учетом того что на сейсмостанциях используется частота дискретизации в 100 Гц, можно утверждать, что по сумме возможностей аппаратура комплексных пунктов геодинамических наблюдений позволяет регистрировать колебания и смещения в диапазоне периодов от 0,05 с и более. Регистрация сильнейшего землетрясения Тохоку и его афтершоков подтвердила правильность подхода, принятого при создании ЕССДН ДВО РАН.
■
1 I
Рис. 4. Волновые формы землетрясения Тохоку 2011 г., зарегистрированные на сейсмических станциях «Ванино» (а), «Чегдомын» (б)
Рис. 5. Спектры вертикальной компоненты колебаний (1), вызванных землетрясением Тохоку 2011 г., и микросейсмического фона (2) в пункте Ванино перед приходом сейсмических волн от землетрясения
С ейсмологические
наблюдения
Сейсмический момент землетрясения, полученный в ИОЦ ГС РАН по спектрам Р-волн на четырех станциях, составляет М = 3,5 х 1021 Н м [2]. На рис. 4 представлены волновые формы землетрясения Тохоку 2011 г., зарегистрированные цифровыми сейсмическими станциями REF ТЕК SENS-BBS-120 на территории Хабаровского края - в Ванино (¥NN1) и Чегдомыне (СНМШ) на удалении 1214 и 1614 км от эпицентра землетрясения, соответственно, приведены записи вертикальных компонент колебаний, по амплитуде близких к максимальным, которые могут регистрироваться сейсмостанциями без искажений. Спектры вертикальной компоненты колебаний в пункте Вани-но, вызванных землетрясением Тохо-ку, и микросейсмического фона перед приходом сейсмических волн от землетрясения показаны на рис. 5; видно, что частоты колебаний от землетрясения возрастают в диапазоне 10-0,01 Гц.
Деформации земной коры по данным GPS/ГЛОНАСС-наблюдений
В первые сутки после землетрясения получены данные GPS- и GNSS-наблюде-ний в пунктах ЕССДН ДВО РАН и других постоянно действующих GPS- и GNSS-станций на территории городов Владивосток и Артем. Данные в файлах спутниковых наблюдений имеют дискретность записи 1, 15 и 30 с, что позволяет с высоким временным разрешением оценить величины косейсмических смещений пунктов, а также параметры поверхностных сейсмических волн, порожденных землетрясением Тохоку 2011 г. Все данные за 1-18 марта 2011 г. проанализированы при помощи программного пакета BERNESE 5,0 с целью поиска косейсмических деформаций земной коры в дальней от эпицентра зоне. Графики среднесуточных вариаций координат GPS-станций «Хабаровск» (KHAJ) и «Владивосток» (VLAD) представлены на рис. 6.
Рис. 6. Графики среднесуточных вариаций координат GPS-станций КНА.Т (а) и VLAD (б). Вертикальной линией показана дата землетрясения (70-е сутки - 11.03.2011 г.)
Полученные при предварительной обработке спутниковых данных косейсмические смещения пунктов геодинамической GNSS-сети ДВО РАН приведены в таблице, обобщенная схема вызванных землетрясением Тохоку горизонтальных косейсмических смещений на территории Дальнего Востока - на рис. 7. Данные спутниковых измерений для обработки по территории Японии, Китая и Кореи (пункты IGS) взяты на сайте Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) (ftp://cddis.gsfc.nasa.gov).
Результаты исследований показывают, что землетрясение явилось причиной значительных деформаций земной коры на обширной территории, включая Корейский полуостров, северо-восточные районы Китая, юг Хабаровского края и Приморье. Величины косейсмических смещений в континентальной части Дальнего Востока России достигают
Компоненты вызванных землетрясением Тохоку косейсмических смещений земной коры
Станция GNSS-сети ДВО РАН Компонент смещений / среднеквадратичная ошибка, мм
Север—юг Восток—запад
CHMN -6,7 / 1,0 -1,7 / 2,7
KULD -7,7 / 1,6 -0,7 / 3,3
VANB -3,9 / 1,0 -2,8 / 2,4
KHAJ* -10,5 / 1,4 2,2 / 3,0
GEOO -10,4 /1,2 0,1 / 3,0
GRNC -19,8 / 1,6 29,8 / 3,1
ARTM -21,6 / 1,7 33,8 / 3,0
VLAD -20,6 / 1,5 35,2 / 3,0
DVGU -19,8 / 1,9 34,7 / 3,4
KUNA 12,1 / 2,4 -1,0 / 3,1
*Пункт сети IGS.
Рис. 7. Схема вызванных землетрясением Тохоку 2011 г. горизонтальных косейсмических смещений GPS-и GNSS-пунктов ЕССДН ДВО РАН и Международной службы GNSS (IGS). Данные GNSS-измерений для обработки по территории Японии, Китая и Кореи взяты с сайта Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) (ftp://cddis.gsfc.nasa.gov)
максимальных значений (около 4 см) на юге Приморья и уменьшаются к северу от него. Например, станция VANB (пос. Ванино) сместилась к югу на величину около 3 мм.
GPS- и GNSS-станции в пунктах ЕССДН ДВО РАН в момент землетрясения и непосредственно после него зарегистрировали поверхностные сейсмические волны, амплитуда которых в ряде пунктов превышала 15 см. В настоящее время проводятся обработка и анализ всех имеющихся GPS- и GNSS-записей для определения характеристик длиннопе-риодных сейсмических колебаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Быков В.Г., Бормотов В.А., Коковкин А.А. и др. Начало формирования единой сети геодинамических наблюдений ДВО РАН // Вестн. ДВО РАН. 2009. № 4. С. 83-93.
2. Информационное сообщение Геофизической службы РАН о сильном землетрясении у восточного побережья острова Хонсю, Япония, 9 марта 2011 г. - http://www.ceme.gsras.ru/cgi-bin/info_quake.pl?mode=1&id=167
3. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.
